DE4436695C1 - Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen ObjektesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen
eines dreidimensionalen Objektes nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objek
tes ist unter dem Begriff "Stereolithographie" bekannt.
Hierbei wird auf einen Träger bzw. eine bereits verfestigte
Schicht eine Schicht eines flüssigen oder pulverförmigen
Materials aufgetragen und durch Bestrahlen mit einem ge
richteten Lichtstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, an
dem Objekt entsprechenden Stellen verfestigt. Durch suk
zessives Verfestigen einer Vielzahl von aufeinanderfolgen
den Schichten wird das Objekt schichtweise hergestellt.
Ein derartiges Verfahren, bei dem zusammen mit dem Objekt
Stützkonstruktionen zum Stützen von Teilen des Objektes
bzw. des gesamtes Objektes verfestigt werden, ist aus der
EP 0 338 751 A2 bekannt.
Beim Aufbau von Stützkonstruktionen entstehen jedoch
Schwierigkeiten der folgenden Art.
Bei filigranen Strukturen sowie bei der Verschneidung von
Flächen werden wegen der im CAD-Modell getrennten Flächen
verbunde mehrere Einzelstützen erzeugt. Diese können dicht
nebeneinander liegen und/oder sich überschneiden bzw.
durchdringen. Bei der Belichtung der Stützkonstruktion wer
den die Konturlinien der Einzelstützen in geringstem Ab
stand zueinander belichtet. Dabei verschmelzen sie mitein
ander. Die entstandene Stützkonstruktion läßt sich ohne
Zerstörung des Bauteiles nicht oder nur sehr schwer entfer
nen.
Um das Verschmelzen dicht nebeneinanderliegender Konturli
nien von Einzelstützen zu verhindern, ist es möglich, die
Stützen ohne Kontur zu belichten. Die Stützen müssen dann
jedoch sehr hart belichtet werden, d. h. es muß ein hoher
Grad an Verfestigung erzeugt werden, um ein Ausfransen der
Stützen an den Rändern zu verhindern. Die so erzeugte
Stützkonstruktion ist wiederum nur sehr mühsam vom Bauteil
zu entfernen oder kann ohne Zerstörung desselben nicht ent
fernt werden.
Aus der DE 43 09 524 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines
dreidimensionalen Objektes bekannt, bei dem das gesamte Ob
jekt bzw. jede Schicht des zu bildenden Objektes in einen
inneren Kernbereich und einen äußeren Hüllbereich zerlegt
wird und die Strahlungseinwirkung im Kernbereich und im
Hüllbereich zur Erzeugung unterschiedlicher Eigenschaften
beider Bereiche verschieden gesteuert wird. Die Zerlegung
des zu bildenden Objektes in einen Hüllbereich und einen
Kernbereich erfolgt in einem Rechner. Der Zerlegung des zu
bildenden Objektes in Hüllbereich und Kernbereich entspre
chende Objektdaten werden einem weiteren Rechner zur Verfü
gung gestellt, der eine Bestrahlungseinrichtung zum Verfe
stigen der Schichten des zu bildenden Objektes steuert.
Durch die Zerlegung ist es möglich, ein Objekt mit unter
schiedlichen und den jeweiligen Erfordernissen entsprechen
den vorteilhaften Baustilen aufzubauen.
Aus der WO 94/07 681 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines
dreidimensionalen Objekts durch aufeinanderfolgendes Verfestigen
von übereinanderliegenden Schichten des Objekts bekannt, bei dem
jeweils zunächst Teilbereiche einer Schicht verfestigt und dabei
mit darunterliegenden Teilbereichen der vorher verfestigten
Schicht zu mehrschichtigen Zellen verbunden werden, und danach
benachbarte Teilbereiche derselben Schicht durch Verfestigen
von schmalen Verbindungsbereichen miteinander verbunden werden.
Dadurch soll eine Verformung des Objekts verringert werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen
eines dreidimensionalen Objektes bereitzustellen, bei dem
eine zusammen mit dem Objekt erzeugte Stützkonstruktion
einen homogenen Aufbau aufweist, in einer kurzen Zeit her
gestellt werden kann und nach der Fertigstellung des Objek
tes leicht von diesem entfernt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Pa
tentanspruch 1. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
gegeben.
Durch die Zerlegung der Stützkonstruktion in dreidimensio
naler Weise in den Kernbereich und den Hüllbereich wird die
erzeugte Stützkonstruktion sehr homogen, da es keine Dop
pelbestrahlung bzw. Doppelbelichtung innerhalb der Stütz
konstruktion gibt. Durch Steuerung der Strahlungseinwirkung
im Hüllbereich verschieden von der im Kernbereich kann der
Hüllbereich so aufgebaut werden, daß eine leicht lösbare
Anbindung an das Objekt erzeugt wird, und der Kernbereich
kann so aufgebaut werden, daß eine ausreichend stabile
Stützkonstruktion mit geringer Bauzeit erzeugt wird und
Verzugskräfte bei der Bildung des Objektes bei geringer
Deformation der Stützkonstruktion aufgenommen werden kön
nen.
Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
anhand der Figuren.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer Vorrich
tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
Fig. 2 eine schematische Querschnittansicht eines
Teiles eines zu bildenden Objektes zusammen
mit einer Stützkonstruktion gemäß einer Aus
führungsform der Erfindung;
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A von
Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Querschnittansicht eines
zu bildenden Objektes mit einer Stützkon
struktion gemäß einer weiteren Ausführungs
form der Erfindung.
Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist eine Vor
richtung zur Durchführung des Verfahrens
einen auf seiner Oberseite offenen Behälter 1 auf, der bis
einem Niveau bzw. einer Oberfläche 2 mit einem unter Ein
wirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Mate
rial 3 gefüllt ist. In dem Behälter 1 befindet sich ein
Träger 4 mit einer im wesentlichen ebenen und horizontalen
Trägerplatte 5, die parallel zur Oberfläche 2 angeordnet
ist und mittels einer nicht gezeigten Höheneinstellvorrich
tung senkrecht zur Oberfläche 2 bzw. zur Trägerplatte 5 auf
und ab verschoben und positioniert werden kann.
Auf der Trägerplatte 5 ist ein zu bildendes Objekt 6 zusam
men mit einer Stützkonstruktion 20 angeordnet, wobei das
Objekt 6 und die Stützkonstruktion 20 jeweils aus einer
Mehrzahl von Schichten 6a, 6b, 6c, 6d und 6e bzw. 20a, 20b
und 20c, die sich jeweils parallel zur Oberfläche 2 und zur
Trägerplatte 5 erstrecken, aufgebaut sind.
Über dem Behälter 1 ist eine nicht gezeigte Vorrichtung zum
Glätten der Oberfläche 2 des verfestigbaren Materiales 3
angeordnet.
Oberhalb des Behälters 1 ist eine Bestrahlungseinrichtung
7, beispielsweise ein Laser, angeordnet, die einen gerich
teten Lichtstrahl 8 abgibt. Der gerichtete Lichtstrahl 8
wird über eine Ablenkeinrichtung 9, beispielsweise einen
Drehspiegel, als abgelenkter Strahl 10 auf die Oberfläche 2
des verfestigbaren Materiales 3 in dem Behälter 1 abge
lenkt. Eine Steuerung 11 steuert die Ablenkeinrichtung 9
derart, daß der abgelenkte Strahl 10 auf jede gewünschte
Stelle der Oberfläche 2 des verfestigbaren Materiales 3 in
dem Behälter 1 auftrifft. Die Steuerung 11 ist mit einer
Computereinheit 50 verbunden, die der Steuerung 11 die
entsprechenden Daten zur Verfestigung der Schichten des Ob
jektes 6 und der Stützkonstruktion 20 liefert.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des dreidimensionalen Ob
jektes wird die Trägerplatte 5 in einem ersten Schritt in
dem Behälter 1 so positioniert, daß zwischen der Oberseite
der Trägerplatte 5 und der Oberfläche 2 des verfestigbaren
Materiales 3 in dem Behälter 1 ein gerade der vorgesehen
Schichtdicke entsprechender Abstand vorliegt. Die sich über
der Trägerplatte 5 befindliche Schicht des verfestigbaren
Materiales 3 wird mittels des von der Bestrahlungseinrich
tung 7 erzeugten und über die Ablenkeinrichtung 9 und die
Steuereinrichtung 11 gesteuerten Lichtstrahles 8, 10 an
vorgegebenen, dem Objekt 6 und der zugehörigen Stützkon
struktion 20 entsprechenden Stellen bestrahlt, wodurch das
Material 3 verfestigt wird und so eine der Form eines Ob
jektes und der Stützkonstruktion entsprechende feste
Schicht 6a bzw. 20a bildet. Das Bilden von weiteren Schich
ten 6b, 6c, 6d und 6e bzw. 20b und 20c erfolgt sukzessive
durch Absenken der Trägerplatte 5 um einen der jeweiligen
Schichtdicke entsprechenden Betrag und erneutes Bestrahlen
an den dem Objekt 6 bzw. der Stützkonstruktion 20 entspre
chenden Stellen.
In der Computereinheit 50 erfolgt eine Berechnung der Ob
jekt- und der Stützkonstruktionsdaten für die Steuerung der
Verfestigung jeder Schicht durch Zerlegung eines dreidimen
sionalen Modelles des Objektes 6 und der Stützkonstruktion
20 in einzelne Schichten. Dabei wird die gesamte dreidimen
sionale Stützkonstruktion 20 in der Computereinheit 50 in
einen Hüllbereich und einen Kernbereich zerlegt. Der Hüll
bereich und der Kernbereich bilden zwei eigenständige Teile
bzw. Einzelobjekte der Stützkonstruktion. Die Zerlegung des
dreidimensionalen Modells der Stützkonstruktion kann auch
in einem separaten Computer erfolgen, und die erzeugten Da
ten können an die Computereinheit 50 übergeben werden. Die
Strahlungseinwirkung bei der Verfestigung in jeder Schicht
erfolgt nun in unterschiedlicher Art und Weise, je nachdem,
ob es sich um den Kernbereich oder den Hüllbereich der
Stützkonstruktion handelt. Durch die Zerlegung tritt eine
Doppelbelichtung von sich überschneidenden Teilen der
Stützkonstruktion nicht mehr auf.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Stützkonstruktion 21
zusammen mit dem Objekt 6 im Bereich der Anbindung der
Stützkonstruktion 21 an das Objekt 6. Die Stützkonstruktion
21 ist in einen Kernbereich 22 und einen Hüllbereich 23
zerlegt, die unterschiedliche Strukturen und damit unter
schiedliche Eigenschaften aufweisen. Fig. 3, die einen
Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 2 darstellt, veran
schaulicht die Anbindung der Stützkonstruktion 21 über de
ren Hüllbereich 23 an das Objekt 6 in einer Schicht.
Im Kernbereich 22 erfolgt die Strahlungseinwirkung bevor
zugt so, daß die Verformung der Stützkonstruktion 21 bei
der Erzeugung des Objektes 6 minimal ist. Dazu muß der
Kernbereich 22 hart und damit unelastisch belichtet werden,
d. h. es muß eine starke Verfestigung erzeugt werden.
Zur Verringerung der erforderlichen Bauzeit und zur Materi
alersparnis wird der Kernbereich 22 der Stützkonstruktion
21 nur in einzelnen beabstandeten Teilbereichen verfestigt,
die entweder gar nicht oder durch Verbindungsstege mitein
ander verbunden sind. Es ist bei ausreichend stabiler Ver
festigung des Hüllbereiches 23 auch möglich, den Kernbe
reich 22 überhaupt nicht zu verfestigen. Nichtverfestigtes
Material kann nach der Fertigstellung durch im Hüllbereich
und/oder im Kernbereich vorgesehene Öffnungen abgelassen
werden.
Die Verfestigung der Stützkonstruktion 21 im Hüllbereich 23
kann bevorzugt zur Erzeugung einer ausreichend stabilen,
aber leicht lösbaren Anbindung der Stützkonstruktion an das
Objekt erfolgen. Dazu erfolgt die Belichtung im Hüllbereich
weich, d. h. eine geringere Verfestigung als im Kernbereich
wird erzeugt, so daß der Hüllbereich der Stützkonstruktion
im Bereich der Anbindung an das Objekt nicht unlösbar an
dem Objekt anhaftet.
Im Hüllbereich 23 der Stützkonstruktion können ebenfalls
einzelne beabstandete Teilbereiche verfestigt werden, die
entweder gar nicht oder durch Verbindungsstege miteinander
verbunden sind. Der Abstand der Teilbereiche im Hüllbereich
ist bevorzugt kleiner als der Abstand der Teilbereiche im
Kernbereich, damit das Objekt ausreichend gestützt wird. In
Bereichen des Hüllbereiches 23 der Stützkonstruktion 21,
die an das Objekt angrenzen, ist es möglich, nur einzelne
zusammenhängende Blöcke bzw. Klötzchen des Hüllbereiches zu
verfestigen, wodurch eine perforierte Anbindung an das Ob
jekt erzeugt wird, die die Ablösung der Stützkonstruktion
nach der Fertigstellung des Objektes erleichtert.
Die Wandstärke des Hüllbereiches ist innerhalb der gesamten
Stützkonstruktion und/oder von Schicht zu Schicht einstell
bar. Damit kann der Abstand der Stützkonstruktion zu Wänden
des zu bildenden Objektes eingestellt werden.
Durch geeignete Wahl der Strahlungseinwirkung bzw. der
Belichtungstechnik können gegenüber dem herkömmlichen Ver
fahren Bauzeiteinsparungen von bis zu 80% erreicht werden.
Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, besteht eine wei
tere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
darin, eine Stützkonstruktion 30 in mehrere Schalen bil
dende Hüllbereiche 31, 32, 33 und einen Kernbereich 26 zu
zerlegen, wobei diese Bereiche 31, 32, 33, 26 jeweils ei
genständige Teile bzw. Einzelobjekte der Stützkonstruktion
sind. Verschiedene Schalendicken sind möglich. Ein Hüllbe
reich kann beispielsweise den Kernbereich vollständig oder
nur teilweise einschließen. So besitzt gemäß Fig. 4 die
Hülle 31 keine Z-Dicke, hingegen jedoch XY-Wandstärke. Der
Hüllbereich 32 besitzt lediglich Z-Dicke, während der Hüll
bereich 33 eine gleichmäßige Wandstärke in XY- und Z-Rich
tung aufweist. Der Kern 26 kann bei dieser Stützkonstruk
tion mit sehr groß beabstandeten Teilbereichen gebaut wer
den. Mit einer solchen schalenförmigen Zerlegung ist es
möglich, den Kraftfluß durch die Stützkonstruktion bei mi
nimaler Bauzeit optimal zu leiten.
Claims (17)
1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Ob
jektes, bei dem das Objekt (6) durch aufeinanderfolgendes
Verfestigen einzelner Schichten (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) aus
verfestigbarem flüssigem oder pulverförmigem Material (3)
durch Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung (8,
10) erzeugt wird und bei dem zusammen mit dem Objekt (6)
eine Stützkonstruktion (20, 21) zum Stützen des Objektes
(6) verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stützkonstruktion (20, 21) in dreidimensionaler Weise
in einen inneren Kernbereich (22) und einen äußeren Hüllbe
reich (23) zerlegt wird und die Strahlungseinwirkung zur
Erzeugung unterschiedlicher Eigenschaften beider Bereiche
verschieden gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stützkonstruktion (20, 21) schichtweise zusammen mit
der Verfestigung der Schichten (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) des Ob
jektes (6) verfestigt wird und die Zerlegung in den Hüllbe
reich (23) und den Kernbereich (22) in jeder Schicht (20a,
20b, 20c) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß
die Strahlungseinwirkung im Kernbereich (22) so erfolgt,
daß die Verformung der Stützkonstruktion (20, 21) bei der
Erzeugung des Objektes (6) minimal ist und daß die Strah
lungseinwirkung im Hüllbereich (23) zur Erzeugung der An
bindung der Stützkonstruktion an das Objekt erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strahlungseinwirkung im Kernbereich (22) so erfolgt,
daß eine starke Verfestigung erzeugt wird und daß die
Strahlungseinwirkung im Hüllbereich (23) so erfolgt, daß
eine geringe Verfestigung erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß
im Kernbereich (22) einzelne beabstandete Teilbereiche
verfestigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilbereiche durch Verbindungsstege miteinander verbun
den werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß
im Hüllbereich (23) einzelne beabstandete Teilbereiche
verfestigt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilbereiche durch Verbindungsstege miteinander verbun
den werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net, daß
der Abstand der Teilbereiche im Hüllbereich (23) kleiner
als der Abstand der Teilbereiche im Kernbereich (22) ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß
in Bereichen des Hüllbereiches (23), die an das Objekt (6)
angrenzen, nur einzelne Schichten oder eine Anzahl von
übereinanderliegenden Schichten oder einzelne Teilbereiche
einer Schicht zur Erzeugung einer perforierten Anbindung an
das Objekt (6) verfestigt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlungseinwirkung so gesteuert wird, daß
eine Wandstärke des Hüllbereiches (23) für die gesamte
Stützkonstruktion gleich ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß
eine Wandstärke des Hüllbereiches (23) über die
Stützkonstruktion einstellbar ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß
das zu bildende Objekt (6) in dreidimensionaler Weise in
einen Kernbereich und einen Hüllbereich zerlegt wird und
daß die Strahlungseinwirkung im Kernbereich so erfolgt, daß
die Verformung des Objektes bei und nach der Verfestigung
minimal ist und daß die Strahlungseinwirkung im Hüllbereich
zur Erzeugung einer glatten und genauen Oberfläche erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß
der Kernbereich in mindestens einen zweiten Hüllbereich
(32, 33) und einen zweiten Kernbereich (26) zerlegt wird
und die Strahlungseinwirkung zur Erzeugung unterschiedli
cher Eigenschaften jedes Bereiches verschieden gesteuert
wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß
die Wandstärken der Hüllbereiche (31, 32, 33) einstellbar
sind.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß
im Hüllbereich (23, 31, 32, 33) Öffnungen gebildet werden,
durch die unverfestigtes Material aus dem Kernbereich (22,
26) ausfließen kann.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß
im Kernbereich (22, 26) Öffnungen gebildet werden, durch
die unverfestigtes Material aus dem Kernbereich (22, 26)
ausfließen kann.
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